4D打印自折叠超材料的理论刚度极限
材料科学
2021-06-11 v1
摘要
将平面薄板自折叠成结构化三维结构的4D打印是一种受折纸启发的强大方法，用于制造多功能器件与超材料。为初始平面薄板赋予多种表面相关功能的可能性，提供了同时实现多功能性能与复杂三维结构的手段。此类制备策略的一个内在局限在于折叠阶段与后续承载阶段对刚度的矛盾要求：一方面需要低刚度以顺利完成预期的自折叠过程，另一方面需要高刚度以将折叠结构作为承载力学超材料使用。这两种要求之间的竞争决定了4D打印自折叠力学超材料的理论极限，此前尚未被确定。本文提出一个由活性层与被动层组成的自折叠双层结构的非线性解析模型。该有限变形理论模型预测活化双层的曲率，确立其稳定性极限，并估算折叠双层的刚度。结合上述三个方面可建立自折叠双层的理论刚度极限。由此可确定使折叠结构获得最高可能刚度的几何与力学性质的最优组合。我们将解析模型的预测与计算及实验结果进行比较。最后，我们评估了采用最常见几类刺激响应材料制备的双层结构的理论刚度极限。分析表明，使用现有形状记忆聚合物可实现约1.5 GPa的最大有效模量。
引用
@article{arxiv.2106.05790,
title = {Theoretical stiffness limits of 4D printed self-folding metamaterials},
author = {Teunis van Manen and Amir A. Zadpoor},
journal= {arXiv preprint arXiv:2106.05790},
year = {2021}
}